автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Сепарирование воздушно-пылевого потока на твердой проницаемой цилиндрической поверхности

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И.И. ПОЛЗУНОВА

СЕПАРИРОВАНИЕ ВОЗДУШНО-ПЫЛЕВОГО ПОТОКА НА ТВЕРДОЙ ПРОНИЦАЕМОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 05.20.01--Механизация сельскохозяйственного производства

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ТЕРЕХОВА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА

УДК 664.7.05:621.928

ДИССЕРТАЦИЯ

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Злочевский В.Л.

Барнаул-1999

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ..................................................................................6

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА...........................................................10

1.1. Требования, предъявляемые к качеству очистки воздушных потоков на предприятиях по первичной обработке и переработке зерна.........................................................................10

1.2. Характеристика пыли предприятий по первичной обработке

и переработке зерна..............................................................16

1.3. Классификация устройств и способов, используемых для

очистки пылевоздушных потоков.............................................20

1.4. Анализ центробежных пылеотделителей.,..,.:.........................22

1.5. Анализ работы тканевых фильтров...........................................26

1.6. Фильтрование. Типы фильтрующих перегородок.........................29

1.7. Металлокерамические фильтры. Свойства пористых порошковых материалов. Методы регенерации твердых фильтровальных перегородок.........................................................................33

1.8. Выводы по главе..................................................................43

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУШНО- ПЫЛЕВОГО ПОТОКА ПРИ ПОМОЩИ ТВЕРДЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ.....................................................................45

2.1. Сепарация пылевых частиц в кольцевом воздушном канале..............45

2.2.0боснование выбора схемы сепаратора пылевых частиц из

пылевоздушной смеси...............................................................53

2.3. Расчет вибраций сепаратора.......................................................55

2.4. Обоснование выбора параметров центробежного сепаратора

для воздушно-пылевой смеси....................................................64

2.5. Разработка и исследование математической модели вибрационного перемещения частицы по вертикальной продуваемой поверхности.........................................................................70

2.6.Выводы по главе.......................................................................80

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................................83

3.1. Общая методика проведения экспериментальных исследований.....................................................................................84

3.1.1 .Статистическая обработка экспериментальных данных..................85

3.2. Измерение гидравлического сопротивления фильтрующих

образцов в форме диска из пористой металлокерамики...................86

3.2.1. Изготовление пористой металлокерамической

фильтрующей перегородки.....................................................86

3.2.2 Устройство экспериментальной установки для исследования твердых фильтрующих перегородок...........................................89

3.3. Определение эффективности очистки воздушного потока от

мучной пыли металлокерамическими фильтрующими перегородками......................................................................93

3.4. Исследование процесса изменения гидравлического сопротивления фильтрующих образцов после проведения различных методов регенерации поверхности..............................................95

3.4.1. Определение изменения гидравлического сопротивления фильтрующих образцов после многократного проведения

механических срезаний слоя муки............................................96

3.4.2. Определение гидравлического сопротивления фильтрующих дисков при вибрации.............................................................96

3.5. Испытание фильтра-циклона с металлокерамическим фильтрующим элементом в виде цилиндра...........................................99

3.5.1. Измерение гидравлического сопротивления фильтра при испытании на чистом воздухе.................................................102

3.5.2. Испытание фильтра-циклона при подаче запыленного воздуха......102

3.5.3. Испытание фильтра-циклона при проведении вибрационного способа очистки фильтрующей поверхности.............................. 103

3.6. Испытания фильтра-циклона с металлокерамическим фильтрующим элементом при пневматическом способе регенерации фильтрующей поверхности.....................................................106

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ...............................................................................109

4.1. Результаты экспериментов по исследованию гидравлических сопротивлений твердых фильтрующих образов.............................109

4.2. Анализ результатов эксперимента по определению эффективности очистки воздуха от пыли................................................122

4.3. Результаты экспериментов по проведению различных способов регенерации фильтрующей поверхности.....................................124

4.3.1. Анализ результатов исследования сопротивления фильтрующего элемента после проведения механических срезаний слоя муки с поверхности фильтра............................................................124

4.3.2. Результаты проведения эксперимента по проведению вибрации,

как метода регенерации фильтрующей поверхности.....................125

4.3.3. Результаты экспериментов по определению гидравлического сопротивления фильтрующих дисков после проведения обратной продувки..........................................................................126

4.4. Результаты испытаний фильтра-циклона с металлокерамическим фильтрующим элементом......................................................127

4.4.1. Результаты испытаний фильтра-циклона на чистом воздухе.........127

4.4.2. Результаты испытаний фильтра-циклона в рабочем режиме..........128

4.4.3. Результаты испытаний фильтра-циклона в рабочем режиме при вибрации...........................................................................130

4.5. Анализ результатов испытания фильтра-циклона при пневматическом способе регенерации поверхности фильтра........................136

4.6.Вывод ы...............................................................................137

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.....................................................................142

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................145

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................158

ВВЕДЕНИЕ

Экологическая чистота атмосферного воздуха является одним из важнейших условий, обеспечивающих здоровье человека. Соблюдение этого условия в последнее время приобретает особую актуальность в связи с ростом онкологических и ряда других заболеваний, вызванных загрязнением окружающей среды.

Проблема сбережения энергетических ресурсов является не менее важной по сравнению с экологической. В Федеральном законе об энергосбережении, принятом Государственной думой и подписанным президентом, говорится о создании и использовании высокоэффективных топливо-, энергосберегающих технологий и оборудования.

Возрастают требования к предприятиям, выбрасывающим в атмосферу значительное количество загрязненного воздуха. Данная проблема стоит более остро на предприятиях по первичной обработке и переработке зерновых материалов: семяобрабатывающих и комбикормовых цехах, мельницах с малой производительностью. Здесь воздух очищается в циклонах и фильтрах-циклонах, а затем выбрасывается в атмосферу по причине недостаточной степени его очистки [5, 38, 56, 70].

Комплектные мельницы малой производительности оснащены батарейными циклонами, обладающими низкой степенью очистки воздуха. Пылевые выбросы данных предприятий превышают все допустимые нормы. На мельнице производительностью 12 т/сут, оснащенной циклонной очисткой, ежегодно выбрасывается более 4 т. пыли.

Рабочее помещение многих из таких мельниц не отапливается, возникают трудности с ведением технологического процесса, главным образом не выдерживаются режимы гидротермической обработки зерна, что ухудшает качество муки, уменьшает ее выход.

Более эффективное улавливание мучной пыли и пылевидных продуктов размола зерна позволит решить задачу сбережения сырья. Особую актуальность в наше время приобретает проблема экономии энергоресурсов за счет введения

режима рециркуляции воздуха в помещении, который позволит обеспечить нормальную работу цехов первичной обработки зерна и мельниц с малой производительностью.

В нашей стране и за рубежом идет поиск новых способов очистки воздуха и разработка пылеотделителей, способных обеспечить максимально возможную степень очистки воздуха от пыли. Прогрессивным направлением в этой области является использование твердых фильтрующих поверхностей, изготовленных путем спекания определенных компонентов методами порошковой металлургии [53].

Твердые фильтрующие поверхности широко используются в пищевой промышленности для удаления частиц загрязнения из потока жидких продуктов, например, в кондитерском производстве, виноделии, пивоварении, в газоочистке [60, 71, 80]. Их использование обусловлено высокой степенью очистки загрязненной среды, большой скоростью фильтрации, долговечностью, небольшим сопротивлением при своевременной регенерации.

Задача современного производства заключается в снижении пылевыделений на каждом этапе обработки и переработки зернового сырья. Применять фильтры из пористой металлокерамики можно при предварительной очистке зернового материала в семяобрабатывающих цехах, в цехах по производству комбикормов на линиях подготовки мучнистого сырья и при дроблении зерна.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель настоящего исследования -повышение эффективности процесса сепарирования воздушно-пылевого потока на предприятиях по первичной обработке и переработке зерна. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- разработать математическую модель процесса сепарации пылевых частиц в кольцевом канале, заключенном между двумя твердыми вращающимися цилиндрами, и обосновать выбор параметров центробежного сепаратора;

- разработать математическую модель перемещения частицы по вертикальной продуваемой вибрирующей поверхности с целью определения

оптимального режима вибрации, как метода регенерации поверхности фильтра;

- исследовать и обосновать эффективные способы сепарации пылевых частиц, определить оптимальные характеристики образца фильтрующего материала из пористой металлокерамики, которому соответствует максимальный коэффициент пылеотделения для данного вида пыли;

- определить экспериментально оптимальные параметры для вибрационного метода очистки фильтрующей поверхности, сравнить их с данными, полученными математическим моделированием.

_____ ___о

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИИ. В качестве объекта исследований рассматривался процесс сепарирования пылевых частиц и устройство для его осуществления на малогабаритной мельнице.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИИ состоит в установлении взаимосвязи эффективности процесса сепарирования воздушно-пылевого потока на твердой цилиндрической поверхности и методов воздействия воздушного потока на сепарирующую поверхность.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Разработан способ очистки воздушного потока от пыли с размерами частиц от 0,5 до 250 мкм, эффективность которого 99,99%.

Получено математическое описание и определены основные закономерности процесса сепарации пылевых частиц в кольцевом воздушном канале, определены скорости и ускорения движения пылевых частиц.

Исследовано влияние различных факторов на процесс фильтрования запыленного воздуха через металлокерамическую перегородку.

Получено математическое описание перемещения пылевой частицы по поверхности фильтра при вибрационном способе его регенерации. Все это позволило разработать рекомендации по проектированию фильтра-циклона с фильтрующим элементом из пористой металлокерамики в виде двух коаксиальных цилиндров, использующего вибрационный способ регенерации.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. По результатам работы и на основании проведенных исследований разработаны технологические режимы сепарирования воздушно-пылевого потока на зерноперерабатывающих предприятиях.

Новизна и прикладная значимость подтверждена присуждением Российского Ползуновского гранта по теме «Разработка высокоэффективной пневмосепарирующей системы с замкнутым циклом и очисткой воздуха от пыли», выданного Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации, Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Все математические расчеты производились при помощи математического редактора Mathcad 6.0 PRO. При подготовке главы "Состояние вопроса" использовалась информационная система Internet.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались на 55-й научно-технической конференции студентов, аспирантов, профессорско-преподавательского состава Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, на второй всероссийской конференции «Современные проблемы техники и технологии хранения и переработки зерна».

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс по кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» АлтГТУ им И.И. Ползу-

О

нова. Фильтр-циклон производительностью 2,8 м /мин с металлокерамическим фильтрующим элементом в виде двух коаксиальных цилиндров был испытан в производственных условиях на ОАО «Курьинское КХП», получен акт о внедрении.

Имеется 4 публикации, в том числе 2 доклада на конференциях.

СТРУКТУРА И ОБЬЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, экспериментальной части, теоретической части, выводов, библиографического списка литературы из 133 наименований, в том числе 20 иностранных. Работа изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 22 таблицы.

1 .СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Требования, предъявляемые к качеству очистки воздушных потоков на предприятиях по первичной обработке и переработке зерна

Основным веществом, загрязняющим воздух на зерноперерабатывающих предприятиях, является зерновая, мучная пыль, а так же пыль комбикормового производства. Образование такой пыли значительно ухудшает санитарно-гигиенические условия на предприятии, повышает взрывоопасность, ведет к потерям продукта.

По требованиям санитарии запыленность воздуха в рабочей зоне не должна

3 3

превышать 1,2 мг/м для зерновой пыли и 1,8 мг/м для мучной [3]. Чтобы ввести режим рециркуляции воздуха в помещении, необходимо выполнение этих требований. Современные пылеотделители, применяемые на предприятиях по первичной обработке и переработке зерна, семяочистительных цехах не в состоянии обеспечить такую степень очистки воздушного потока, поэтому воздух после них должен подвергаться вторичной очистке в специальных устройствах - огнепреградителях [37].

В качестве огнепреградителей используют как сухие фильтры, так и камеры орошения, но в данном случае возникают трудности, связанные с использованием воды и ее очисткой. Все это ведет к дополнительным затратам.

Поэтому на многих мельницах, элеваторах и комбикормовых заводах и цехах по первичной обработке зерна, в настоящее время, после очистки в циклонах и фильтрах-циклонах, чаще всего, воздух выбрасывается в атмосферу, ухудшая экологическую обстановку территории предприятия и прилегающей к нему окрестности. Кроме того, теряется продукт, который мог бы использоваться по своему целевому назначению [22, 28].

Недостаточно высокая степень очистки воздуха (0,02.„0,1 г/м ) современных пылеотделителей обусловлена не только несовершенством конструкции самого пылеотделителя, но и очень большой запыленностью пылевоздушного

потока, поступающего на очистку по системам вентиляции и аспирации (до 17 г/м3) [4, 5].

Запыленность воздуха производственного помещения вызвана главным образом несовершенством работы аспирационных и пневмотранспортных установок, низкой эффективностью работы пылеулавливающих устройств. В таблице 1.1 приведены данные о запыленности воздуха в производственном помещении комбикормовых цехов при дроблении зерна и других компонентов комбикорма. Замеры сделаны в местах, где установлено соответствующее технологическое и транспортное оборудование.

Запыленность воздуха в производственных помещениях при дроблении и транспортировке зерновых культур, компонентов комбикормов

Таблица 1.1

Место замера, установленное оборудование Запыленность воздуха, о мг/м Характеристика работы цеха (продукт)

Дробилка РДБ-3000 47 Ячмень, пшеница, куку-

Магнитные колонки 637 руза, отруби

Весы Д-100 28 Мел, шрот

Головки норий 8 Мел, шрот

Сепаратор ЗСП 26 Шрот хлопковый

Нории, транспортеры 48 Отруби

Весы ДН-1000 329 Ячмень, травяная мука

Башмак норий 29 Отруби пшеничные,

размол пшеницы

Пылевой режим предприятия постоянно контролируется. Приведем данные по пылевым выбросам в атмосферу для мукомольного завода мощностью 500 т/сут, оснащенного высокопроизводительным комплектом оборудования.

На мукомольных заводах с высокопроизводительным оборудованием установлены самые эффективные фильтры-циклоны, которые характеризуются

максимальным коэффициентом пылеулавливания и минимальной остаточной запыленностью.

В приведенном примере запыленность 1 м3 воздуха после очистки в фильтре-циклоне взята равной 0,02 г/м3 д�